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光刻机之战，航空发动机一直被誉为人类顶尖工业皇冠上的明珠

2019-10-4 09:45| 发布者: 维修迷| 查看: 216| 评论: 0

摘要: 航空发动机一直被誉为人类顶尖工业皇冠上的明珠。但最近十年，不断挑战物理学极限的半导体光刻机，大有挑战明珠之王的趋势。航发是在极端高温高压下挑战材料和能量密度的极限，而光刻是在比头发丝还细千倍的地方挑战 ...

航空发动机一直被誉为人类顶尖工业皇冠上的明珠。但最近十年，不断挑战物理学极限的半导体光刻机，大有挑战明珠之王的趋势。

航发是在极端高温高压下挑战材料和能量密度的极限，而光刻是在比头发丝还细千倍的地方挑战激光波长和量子隧穿的极限。

更难得的是，和低可靠性的航天高科技不同，航发和光刻的可靠性也是人类骄傲之花：前者保证了每天十万架飞机在天空安全翱翔，后者在全球工厂每秒钟刻出上千亿个晶体管分毫不差。

震撼一下，看看芯片内部 Credit: ASML注：1nm=0.000000001米

引子

2000年，成立15年当时排名世界第二的荷兰ASML(阿斯麦)公司已经成功占领韩国和台湾市场，但还在琢磨怎么卖光刻机给那时芯片的绝对霸主英特尔(Intel)。

缺乏新一代157nm激光需要配置的反折射镜头技术也是让ASML焦虑的地方。同时，在美国能源部和几大芯片巨头合建的EUV光刻联盟里，ASML还只是个小配角。

这时下一代光刻技术发展会怎样，整个半导体届没有人知道。

在转折关头，ASML决定另辟蹊径，报价16亿美元收购市值只有10亿的硅谷集团(SVG)。曾经辉煌的SVG当时在光刻机的市场份额只有不到8%，年营业额只有2.7亿美元，而且193nm产品水平还远不如ASML。所以华尔街认为ASML买贵了，ASML股价当天暴跌7.5%。

然而从后来的结果看，ASML等于花钱买了光刻机行业最值钱的门票：英特尔的vendor code，同时摇晃了尼康(Nikon)的支柱。此外，SVG拥有最成熟的157nm光学技术，等于ASML买了一个技术双保险，这点后面会再详述。

不过，别以为西方人都是一家子。这次收购仍遭到美国政府和商会的阻挠，美国国防部审查说ASML董事长在一个曾经违反禁令偷偷卖夜视镜给伊拉克的荷兰公司当过董事。

中国公司的老对手美国外国投资委员会最终在收购协议上加了一堆条件，其中包括不许收购SVG负责打磨镜片的子公司Tinsley，以及保证各种技术和人才留在美国。

这些条件反而让ASML顺理成章地成为了半个美国公司，享受到美国强劲的基础科学带来的巨大好处，为多年后在EUV一支独秀做了有力的铺垫。

早期，60-70年代

光刻机的原理其实像幻灯机一样简单，就是把光通过带电路图的掩膜(Mask，后来也叫光罩)投影到涂有光敏胶的晶圆上。早期60年代的光刻，掩膜版是1:1尺寸紧贴在晶圆片上，而那时晶圆也只有1英寸大小。

因此，光刻那时并不是高科技，半导体公司通常自己设计工装和工具，比如英特尔开始是买16毫米摄像机镜头拆了用。只有GCA, K&S和Kasper等很少几家公司有做过一点点相关设备。

60年代末，日本的尼康和佳能开始进入这个领域，毕竟当时的光刻不比照相机复杂。

70年代初，光刻机技术更多集中在如何保证十个甚至更多个掩膜版精准地套刻在一起。Kasper仪器公司首先推出了接触式对齐机台并领先了几年，Cobilt公司做出了自动生产线，但接触式机台后来被接近式机台所淘汰，因为掩膜和光刻胶多次碰到一起太容易污染了。

1973年，拿到美国军方投资的Perkin Elmer公司推出了投影式光刻系统，搭配正性光刻胶非常好用而且良率颇高，因此迅速占领了市场。

1978年，GCA推出真正现代意义的自动化步进式光刻机(Stepper)，分辨率比投影式高5倍达到1微米。这个怪怪的名字来自于照相术语Step and Repeat，这台机器通俗点说把透过掩膜的大约一平方厘米的一束光照在晶圆上，曝光完一块挪个位置再刻下一块。由于刚开始Stepper生产效率相对不高，Perkin Elmer在后面很长一段时间仍处于主导地位。

80年代，群雄争霸

光刻机是个小市场，一年卖几十台的就算大厂了。因为半导体厂商就那么多，一台机器又能用好多年。这导致你的机器落后一点，就没人愿意买了。技术领先是夺取市场的关键，赢家通吃。

80年代一开始，GCA的Stepper还稍微领先，但很快尼康发售了自己首台商用Stepper NSR-1010G，拥有更先进的光学系统极大提高了产能。两家一起挤压了其它厂商的份额，尤其是Perkin Elmer的投影式光刻。P&E的市场份额从80年超过3成快速跌到84年不到5%。

看过我写的《内存的故事》的朋友都知道，80年代是日本半导体最风光的时候，本土几乎每家大公司大财阀都进入了半导体业。这给尼康和佳能双雄带来巨大的后盾，并开始反攻美国市场。

由于GCA的镜片组来自蔡司，不像尼康自己拥有镜头技术，合作的问题使得GCA产品更新方面一直落后了半拍。1982年，尼康在硅谷设立尼康精机，开始从GCA手里夺下一个接一个大客户：IBM、Intel、TI、AMD等。

到了1984年，尼康已经和GCA平起平坐，各享三成市占率。Ultratech占约一成，Eaton、P&E、佳能、日立等剩下几家每家都不到5%。

为什么我们要特地看1984年呢?

首先我们致敬一下苹果，震撼世界的广告《1984》发布了第一代Mac(我现在打字电脑的老祖宗)。然后，请出我们故事的主角：ASML。

ASML被广为传播成是飞利浦分离的出来的，虽然不能说不对，但是和大家想象的那样子还是不同的。

飞利浦在实验室里研发出stepper的原型，但是不够成熟。因为光刻市场太小，飞利浦也不能确认它是否有商业价值，去美国和P&E、GCA、Cobilt、IBM等谈了一圈没人愿意合作。

有家荷兰小公司叫ASM International的老板Arthur Del Prado听说了有这么回事，主动要求合作。但这家代理出身的公司只有半导体前后道的经验，对光刻其实不太懂，等于算半个天使投资加半个分销商。

飞利浦犹豫了一年时间，最后勉强同意了设立50:50的合资公司。1984年4月1日ASML成立的时候，只有31名员工，在飞利浦大厦外面的木板简易房里工作。

ASML最早成立时的简易平房，后面的玻璃大厦是飞利浦。Credit: ASML

ASML在头一年只卖出一台stepper，第二年卖出四台。第一代产品不够成熟，但是背靠飞利浦大树的各种资源和容忍让它生存了下来。

ASML在1985年和蔡司(Zeiss)合作改进光学系统，终于在1986年推出非常棒的第二代产品PAS-2500，并第一次卖到美国给当时的创业公司Cypress，今天的Nor Flash巨头。

有意思的是，1986年半导体市场大滑坡(比如光三星半导体就亏了3亿美元)，导致美国一帮光刻机厂商都碰到严重的财务问题。ASML还小，所以损失不大，还可以按既有计划开发新产品。同期，GCA和P&E的新产品开发都停滞了下来。

1988年GCA资金严重匮乏被General Signal收购，又过了几年GCA找不到买主被关闭。General Signal旗下另外一家Ultratech最终被MBO，但是规模也不大了。1990年，P&E光刻部也支撑不下去被卖给SVG。

1980年还占据大半壁江山的美国三雄，到80年代末地位完全被日本双雄取代。这时ASML还只有大约10%的市场占有率。

波长的竞争

忽略掉美国被边缘化的SVG、Ultratech等公司，90年代一直到现在的格局，一直是ASML和尼康的竞争，佳能在旁边看热闹。

所以我们要开始讲一点点技术了。

半导体领域的原生驱动力是摩尔定律。摩尔定律其实应该被叫做摩尔预言，这个预言中间还改过一次。戈登摩尔博士1965年最早的预言是集成电路密度每年翻倍，而1975年他自己改成每两年翻倍。

有人说，这是人类历史上最伟大的“自我实现的预言”，因为英特尔就是照着这个预言一路狂奔数十年，直到光刻技术被卡在193nm上十多年变成网友说的“牙膏厂”。

为了实现摩尔定律，光刻技术就需要每两年把曝光关键尺寸(CD)降低30%-50%。根据瑞利公式：CD=k1*(λ/NA)，我们能做的就是降低波长λ，提高镜头的数值孔径NA，降低综合因素k1。

搞更短的波长是最直接的手段。90年代前半期，光刻开始使用波长365nm i-line，后半期开始使用248nm的KrF激光。激光的可用波长就那么几个，00年代光刻开始使用193nm波长的DUV激光，这就是著名的ArF准分子激光，包括近视眼手术在内的多种应用都应用这种激光，相关激光发生器和光学镜片等都比较成熟。

但谁也没想到，光刻光源被卡在193nm无法进步长达20年。直到今天，我们用的所有手机电脑主芯片仍旧是193nm光源光刻出来的。

90年代末，科学家和产业界提出了各种超越193nm的方案，其中包括157nm F2激光，电子束投射(EPL)，离子投射(IPL)、EUV(13.5nm)和X光，并形成了以下几大阵营：

157nm F2：每家都研究，但SVG和尼康离产品化最近。157nm光会被现有193nm机器用的镜片吸收，光刻胶也要重新研制，所以改造难度极大，而对193nm的波长进步只有不到25%，研发投入产出比太低。ASML收购SVG后获取了反射技术，2003年终于出品了157nm机器，但错过时间窗口完败于低成本的浸入式193nm。

13.5nm EUV LLC：英特尔，AMD，摩托罗拉和美国能源部。ASML、英飞凌和Micron后来加入。

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